JP2004241676A

JP2004241676A - Method of manufacturing compound semiconductor, semiconductor material, and semiconductor device

Info

Publication number: JP2004241676A
Application number: JP2003030399A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Takada; 朋幸高田; Satoshi Inoue; 聡井上
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2004-08-26

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make even an in-plane carrier concentration distribution of an InGaP film formed on a semiconductor substrate. <P>SOLUTION: When carriers are doped into a GaAs single crystal substrate 1 using an n-InGaP layer 2 expressed by formula In<SB>X</SB>Ga<SB>1-X</SB>and using phosphine as a p-source for vapor phase growth, a V/III ratio is set at 100 or less as its growth conditions. Consequently, the in-plane carrier concentration distribution of the resultant InGaP film becomes uniform to such an extent as practically negligible. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板上にＩｎＧａＰ膜を有する化合物半導体の製造方法及びこの化合物半導体を用いた半導体材料並びにこれを用いて製作された半導体素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
化合物半導体を用いてバイポーラトランジスタ、高移動度電界効果トランジスタ等の各種電子デバイスが製造されているが、これらの電子デバイスは、いずれも半導体基板上に所要の半導体薄膜層を積層して成る化合物半導体ウェハを用いて作製される。このため、例えばＧａＡｓ単結晶板を半導体基板として用意し、この半導体基板上にＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ等の材料から成る所要の単結晶薄膜層を気相成長法等の適宜の薄膜形成法を用いて形成している。
【０００３】
これらの各種化合物半導体材料のうち、ＩｎＧａＰは電子輸送特性に優れていることに加えて、Ｉｎ組成に応じてエネルギーギャップを大幅に変えることができるという特性を有しているため、特に、ヘテロ接合に用いる３−５族化合物半導体材料として最近よく使用されている。
【０００４】
半導体基板上に、ＩｎＧａＰ層を例えば有機金属熱分解法（以下、ＭＯＣＶＤ法という）により形成しようとする場合、一般にリン供給源（Ｐ源）としてホスフィン（ＰＨ_３）が用いられているが、ホスフィンを用いたＩｎＧａＰ層の成長条件では、ホスフィンの分解率が低いためＶ／ＩＩＩ比を高目、例えば２００程度に設定してＩｎＧａＰ層を単結晶薄膜成長させている（例えばＪ．ＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ２２１（２０００）５０９）。
【０００５】
ここで、Ｖ／ＩＩＩ比とは３−５族化合物半導体結晶成長時における５族原料と３族原料の供給量比である。一般に有機金属気相成長法においては、原料供給はガスボンベやバブラーからガスの状態で供給される。ガスボンベからのガスの供給量は供給ラインに設置されたマスフローコントローラーなどの流量制御装置によって制御され、（ボンベ内のガス濃度）×（ガス流量）が原料の実流量となる。バブラーからのガスの供給量はバブラーに流すキャリアガス供給ラインに設置されたマスフローコントローラーなどの流量制御装置によって制御され、（キャリアガス流量）×（バブラー内原料蒸気圧）／（バブラー内圧）が原料の実流量となる。これらの方式によって供給された原料実流量について５族原料と３族原料の供給量比をとったものを一般にＶ／ＩＩＩ比と称している。本明細書においてもＶ／ＩＩＩ比という用語を上述の定義に従うものとして使用している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＩｎＧａＰ層の成長をホスフィンを用いた上記条件で行おうとすると、シリコン（Ｓｉ）等のｎ型キャリアをドープしたｎ型のＩｎＧａＰ層を成長させようとする場合、ｎ型キャリアを均一にドープさせることが非常に難しい。したがって、出来上がったＩｎＧａＰ層のキャリア濃度分布を面内に亘って均一にすることが難しく、成長させたｎ−ＩｎＧａＰ層におけるキャリア濃度の面内分布を良好なものとすることが困難であった。このようなｎ−ＩｎＧａＰ層におけるキャリア濃度の面内分布が大きい半導体ウェハを用いて、例えばヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を作製すると、当該層における抵抗が高いものや低いものも得られ品質のバラツキの大きいＨＢＴしか得られない等の不具合を生じることになる。
【０００７】
本発明の目的は、従来技術における上述の問題点を解決することができる化合物半導体の製造方法及び半導体材料並びに半導体素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では、半導体基板上にＩｎＧａＰ膜をホスフィンをＰ源として用いてｎ型不純物を含むように気相成長させる場合、成長条件としてＶ／ＩＩＩ比を１００以下とすることにより、出来上がったＩｎＧａＰ膜の面内のキャリア濃度分布を実用上差し支えないような均一性を有する状態とするようにしたものである。
【０００９】
請求項１の発明によれば、一般式Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＰで表される化合物半導体層を少なくとも１層含む化合物半導体を有機金属熱分解法を用いて気相成長させて製造するための方法であって、該Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＰ層の成長時にリン供給源としてホスフィンを用いると共にキャリアをドープするようにし、Ｖ／ＩＩＩ比を１００以下とすることを特徴とする化合物半導体の製造方法が提案される。
【００１０】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、前記Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＰ層がｎ型にドープされる化合物半導体の製造方法が提案される。
【００１１】
請求項３の発明によれば、請求項１又は２の発明において、前記Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＰ層の成長時にドーパントとしてシリコンをドープするようにした化合物半導体の製造方法が提案される。
【００１２】
請求項４の発明によれば、請求項１、２又は３の発明において、前記Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＰ層の成長を、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、ホスフィンを用いＭＯＣＶＤ法によって行うことを特徴とする化合物半導体の製造方法が提案される。
【００１３】
請求項５の発明によれば、請求項１、２、３又は４の化合物半導体の製造方法を用いて作製した半導体材料が提案される。
【００１４】
請求項６の発明によれば、請求項５の半導体材料を用いて作成した半導体素子が提案される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明によるエピタキシャル基板の実施の形態の一例を示す層構造図である。図１に示したエピタキシャル基板１０は、半導体素子を作るに際して目的とする特性を有するＩｎＧａＰ層を作るため、Ｉｎ、Ｇａの原料供給比、ドーパントガスの供給量、ＩｎＧａＰの正確な成長速度を確認する為のものである。すなわち、エピタキシャル基板１０は所謂チェックエピと呼ばれているものであり、エピタキシャル基板１０を用いて求められた成長条件に基づき商品としてのエピタキシャル基板が製造される。エピタキシャル基板１０はＧａＡｓ単結晶基板１の上にｎ−ＩｎＧａＰ層２及びｎ−ＧａＡｓ層３をこの順序に形成したものである。エピタキシャル基板１０に於いては、ｎ−ＩｎＧａＰ層２の目標とする膜厚、キャリア濃度、Ｉｎ組成は、それぞれ、２０００Å、１×１０^１７ｃｍ^−３、０．５である。ｎ−ＧａＡｓ層３の目標とする膜厚、キャリア濃度は、それぞれ、３０００Å、３×１０^１７ｃｍ^−３である。ｎ−ＧａＡｓ層３はｎ−ＩｎＧａＰ層２の成長後にそのＩｎＧａＰの表面からのＰ抜けなどを防ぐ等のｎ−ＩｎＧａＰ層２の劣化を防止するために設けられている。
【００１７】
ｎ−ＩｎＧａＰ層２は、ＧａＡｓ単結晶基板１の上にＭＯＣＶＤ法により気相成長させた単結晶半導体薄膜層であり、リン供給源（Ｐ源）としてホスフィンを用い、ドーパントとしてＳｉを用いてｎ型にドープされた、ｎ型不純物を含有する一般式Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＰで表されるＩｎＧａＰ層として形成されている。
【００１８】
次に図１に示した層構造のエピタキシャル基板１０を作製する方法の一実施形態について説明する。先ず、ＧａＡｓ単結晶基板１を用意する。ＧａＡｓ単結晶基板１は高抵抗の半絶縁性ＧａＡｓ単結晶基板であり、ＬＥＣ（ＬｉｑｕｉｄＥｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法、ＶＢ（ＶｅｒｔｉｃａｌＢｒｉｄｇｅｍａｎ）法、ＶＧＦ（ＶｅｒｔｉｃａｌＧｒａｄｉｅｎｔＦｒｅｅｚｉｎｇ）法等で製造されたＧａＡｓ単結晶基板が好適であり、いずれの方法で製造された場合であっても、１つの結晶学的面方位から０°乃至１０°程度の傾きをもった基板を用意する。
【００１９】
上述の如く用意したＧａＡｓ単結晶基板１の表面を、脱脂洗浄、エッチング、水洗、乾燥処理した後、ＧａＡｓ単結晶基板１をＭＯＣＶＤ成長炉の加熱台上に載置する。ＭＯＣＶＤ成長炉内を高純度水素で充分置換した後、加熱を開始する。適度な温度に安定したところでＭＯＣＶＤ成長炉内にリン原料としてホスフィンを導入する。さらに、ガリウム原料およびイリジウム原料を導入する。各原料の供給量と時間を制御することにより、ｎ−ＩｎＧａＰ層２を成長させていく。なお、ｎ−ＩｎＧａＰ層２をｎ型不純物を含有するｎ型ＩｎＧａＰ層として形成する場合、ドーパントとしてＳｉをＭＯＣＶＤ成長炉内に導入する。
【００２０】
このようにしてｎ−ＩｎＧａＰ層２をＭＯＣＶＤ法により成長させ、これにより得られたｎ−ＩｎＧａＰ層２におけるキャリア濃度の面内分布を従来に比べて大幅に小さくするため、その成長条件の１つであるＶ／ＩＩＩ比を１００以下としてｎ−ＩｎＧａＰ層２を気相成長させる。好ましくは１〜１００、より好ましくは１５〜９０、最も好ましくは３０〜８０である。該ＩｎＧａＰ層２の上には、Ａｓ原料としてＡｓＨ３を用い、ＴＭＧをＧａ原料に、ドーパントとしてＳｉを用いて、ＩｎＧａＰ層２の保護の為にＧａＡｓ層３を成長する。ＧａＡｓ層３のキャリア濃度はＩｎＧａＰ層３と同程度の値とする。
【００２１】
成長温度は約概ね６００℃程度が最適であるが、成長温度が異なっても成長の反応状態が同一であれば同じ効果が得られるので何度でもよい。しかし、成長温度は、臨界的ではないが、５５０℃〜６００℃程度が好ましい。また、この種の半導体材料では、ｎ−ＩｎＧａＰ層２におけるキャリア濃度は０．８×１０^１７ｃｍ^−３〜１．２×１０^１７ｃｍ^−３程度の場合が多いが、キャリア濃度分布はキャリア濃度に依らないため、キャリア濃度は任意の値とすることができる。
【００２２】
最後に、各原料の供給を停止して結晶成長を停止し、冷却後、図１に示すように積層したエピタキシャル基板１０をＭＯＣＶＤ成長炉内から取り出して結晶成長を完了する。結晶成長時の基板温度は、通常、およそ５００℃から８００℃の範囲内である。
【００２３】
なお、キャリアとしては、例えばシリコンのほか、ゲルマニウム、スズ、硫黄、セレン等の水素化合物または炭素数が１から３のアルキル基を有するアルキル化物等のｎ型ドーパントを用いることができる。
【００２４】
ｎ−ＩｎＧａＰ層２を上述のようにして成長させる場合、Ｖ／ＩＩＩ比を減少させるにつれて基板端でのキャリア濃度の減少程度が少なくなり、キャリアの面内均一性が改善される。この変化は一定の方向性をもつ為、Ｖ／ＩＩＩ比は小さい方がキャリア濃度の均一性が良い。
【００２５】
種々の実験を行った結果から、Ｖ／ＩＩＩ比を下げる程キャリアの面内分布は良くなると考えられる。然し、ＩｎＧａＰ層の成長に於いて、Ｐ原料であるホスフィンの分解効率が悪い為に、Ｖ／ＩＩＩ比を極端に下げると基板表面へのＰ原料の供給が不充分となり、Ｉｎ、Ｇａ金属の析出が生じたり、また、Ｐ原料不足の為にＩｎＧａＰの成長が出来なくなるのでその下限値は１未満とならないように注意する必要がある。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について詳細に説明するが、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。
【００２７】
（実施例１）
減圧バレル型ＭＯＣＶＤ炉を用い、図１に示した積層構造をＶＧＦ法半絶縁性ＧａＡｓ基板上にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長した。ここで用いたＧａＡｓ単結晶基板１は２．０°オフであった。そして、成長温度を６００℃とし、ｎ−ＩｎＧａＰ層２を２０００Åの厚さでキャリア濃度が１．０×１０^１７ｃｍ^−３となるようにシリコンを炉内に導入して成長させた。この成長時のＶ／ＩＩＩ比を１５８、７９、３９と変えて、３つの試料を製作した。
【００２８】
ＩｎＧａＰの成長には３族原料として有機金属化合物であるトリメチルインジウム、トリメチルガリウムを用いた。５族原料はホスフィンガスを用いた。キャリアはＳｉ_２Ｈ_６ガスを用いてＳｉを供給し、ＭＯＣＶＤ法によって作成した。
【００２９】
これらの３つの試料についてエピタキシャル基板１０のキャリア濃度の面内分布を測定した。図２にその測定値を示す。図２は、横軸にエピタキシャル基板１０の中央を起点としてその端縁までの距離をとり、縦軸にエピタキシャル基板１０の中央におけるキャリア濃度を１として正規化したキャリア濃度の値をとっている。
【００３０】
図２から、Ｖ／ＩＩＩ比が小さい程、エピタキシャル基板１０のキャリア濃度の面内分布が小さくなっていることが判る。
【００３１】
Ｖ／ＩＩＩ比を１５８、７９、３９と減少させるにつれて基板の外周側でのキャリア濃度の減少程度が少なくなり、キャリアの面内均一性が改善される。この変化は一定の方向性をもつ為、Ｖ／ＩＩＩ比を更に減少させると均一性が更に改善される事は自明である。Ｖ／ＩＩＩ比は小さい方がキャリア濃度の均一性が良い。
【００３２】
（実施例２）
ＧａＡｓ単結晶基板１のオフ角を０．４度としたことを除いては実施例１と全く同様の条件で、Ｖ／ＩＩＩ比を同じく１５８、７９、３９と変えて別の３つの試料を作製した。そして、これらの試料についてキャリア濃度の面内分布を測定した。図３にその測定値を示す。図３においても、横軸にエピタキシャル基板１０の中央を起点としてその端縁までの距離をとり、縦軸にエピタキシャル基板１０の中央におけるキャリア濃度を１として正規化したキャリア濃度の値をとっている。
【００３３】
図３から、基板のオフ角が小さくなっても、Ｖ／ＩＩＩ比が小さい程、エピタキシャル基板１０のキャリア濃度の面内分布が小さくなっていることが判る。
【００３４】
図２、図３に示した実験結果から面内のキャリア濃度分布の公差を求めたのが図４である。図４から、Ｖ／ＩＩＩ比を１００以下にすると面内公差が約３％以下になることがわかる。ＭＯＣＶＤ基板から半導体素子を作製する場合、一般的には５〜３％以下の面内分布が要求されている。従って、Ｖ／ＩＩＩ比が１００以下であれば、実用的なエピタキシャル基板を得る為に充分なキャリア濃度の面内均一性を得ることが出来る。
【００３５】
図２、図３、図４に示した結果から、Ｖ／ＩＩＩ比を下げるほどキャリアの面内分布は良くなる事は明白と考えられる。然しながら、ＩｎＧａＰ層の成長に於いてはＰ原料であるホスフィンの分解効率が悪い為に、Ｖ／ＩＩＩ比を３０未満にすると基板表面へのＰ原料の供給が不充分となり、Ｉｎ、Ｇａ等の金属の偏析析出が生じる傾向にある。また、Ｖ／ＩＩＩ比を１未満にするとＩｎＧａＰ自体の成長が出来なくなることもある為に注意が必要である。
【００３６】
（実施例３）
以下のようにしてヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を作成した。先ず、半絶縁性ＧａＡｓ基板を用意してこの上に以下のようにして所要の薄膜層を形成し、ＨＢＴ作成用の化合物半導体ウェハを形成した。すなわち、半絶縁性ＧａＡｓ基板の上にｎ^＋−ＧａＡｓ層（キャリア濃度約１０^１８ｃｍ^−３台程度）、ｉ−ＧａＡｓ層からなるコレクタ層を形成した。該コレクタ層の上に、ベース層を形成した。概ベース層はｐ^＋−ＧａＡｓ層（キャリア濃度約１０^１９ｃｍ^−３台程度）からなりベースシート抵抗が２７０Ω／□となるようにキャリア濃度、膜厚の調整を行った。該ベース層上に、ｎ−ＩｎＧａＰ層（キャリア濃度約１０^１７ｃｍ^−３台程度）、ｎ−ＧａＡｓ層（キャリア濃度約１０^１７ｃｍ^−３台程度）、ｎ^＋−ＧａＡｓ層（キャリア濃度約１０^１８ｃｍ^−３台程度）からなるエミッタ層を形成した。ここで、エミッタ層を形成するｎ−ＩｎＧａＰ層をＶ／ＩＩＩ比３９とした実施例１の条件で形成した。
【００３７】
以上のようにして得られた化合物半導体ウェハを用いてＨＢＴを作製して、その特性を測定したところ、ベースシート抵抗が２７０Ω／□で、電流増幅率βが１１６と良好な結果が得られた。このように、本発明をＨＢＴ薄膜に応用することで、面内の均一性が高められるだけでなく、電気的特性の優れた高性能のＨＢＴを実現することができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、上述の如く、キャリア濃度の面内分布が大幅に小さいＩｎＧａＰ薄膜を成長せることができ、高性能な半導体素子の作製を可能とするこができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す層構造図。
【図２】本発明の一実施例のキャリア濃度の面内分布の測定結果を示すグラフ。
【図３】本発明の他の実施例のキャリア濃度の面内分布の測定結果を示すグラフ。
【図４】本発明の実施例のキャリア濃度の面内公差を示すグラフ。
【符号の説明】
１ＧａＡｓ単結晶基板
２ｎ−ＩｎＧａＰ層
１０エピタキシャル基板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a compound semiconductor having an InGaP film on a semiconductor substrate, a semiconductor material using the compound semiconductor, and a semiconductor device manufactured using the same.
[0002]
[Prior art]
Various electronic devices such as bipolar transistors and high-mobility field-effect transistors are manufactured using compound semiconductors, and each of these electronic devices is a compound semiconductor formed by laminating a required semiconductor thin film layer on a semiconductor substrate. It is manufactured using a wafer. Therefore, for example, a GaAs single crystal plate is prepared as a semiconductor substrate, and a required single crystal thin film layer made of a material such as GaAs, AlGaAs, InGaAs, or InGaP is formed on the semiconductor substrate by an appropriate thin film forming method such as a vapor phase growth method. It is formed by using.
[0003]
Among these various compound semiconductor materials, InGaP has not only excellent electron transport characteristics but also a characteristic that the energy gap can be largely changed depending on the In composition. Recently used as a Group 3-5 compound semiconductor material used for the semiconductor device.
[0004]
When an InGaP layer is to be formed on a semiconductor substrate by, for example, an organometallic thermal decomposition method (hereinafter referred to as MOCVD method), phosphine (PH ₃ ) is generally used as a phosphorus supply source (P source). In the growth conditions of the InGaP layer using GaN, the V / III ratio is set to a high value, for example, about 200 because the decomposition rate of phosphine is low, and the InGaP layer is grown as a single crystal thin film (for example, J. Crystal Growth 221 ( 2000) 509).
[0005]
Here, the V / III ratio is a supply ratio of the group 5 raw material and the group 3 raw material during the growth of the group 3-5 compound semiconductor crystal. Generally, in the metal organic chemical vapor deposition method, a raw material is supplied in a gas state from a gas cylinder or a bubbler. The amount of gas supplied from the gas cylinder is controlled by a flow rate control device such as a mass flow controller installed in the supply line, and the (gas concentration in the cylinder) × (gas flow rate) is the actual flow rate of the raw material. The amount of gas supplied from the bubbler is controlled by a flow control device such as a mass flow controller installed in the carrier gas supply line that flows through the bubbler. Is the actual flow rate. The actual flow rate of the raw material supplied by these methods, which is the ratio of the supply amount of the Group 5 raw material to the Group 3 raw material, is generally referred to as the V / III ratio. The term V / III ratio is also used herein according to the above definition.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the InGaP layer is grown under the above conditions using phosphine, if an n-type InGaP layer doped with an n-type carrier such as silicon (Si) is to be grown, the n-type carrier is uniformly doped. Very difficult to let. Therefore, it is difficult to make the carrier concentration distribution of the completed InGaP layer uniform over the surface, and it is difficult to improve the in-plane distribution of the carrier concentration in the grown n-InGaP layer. When, for example, a heterojunction bipolar transistor (HBT) is manufactured using a semiconductor wafer having a large in-plane distribution of the carrier concentration in the n-InGaP layer, a high resistance or a low resistance in the layer is obtained, and the quality is varied. However, there arises a problem that only an HBT having a large value is obtained.
[0007]
An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a compound semiconductor, a semiconductor material, and a semiconductor element which can solve the above-described problems in the conventional technology.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, according to the present invention, when vapor-phase growing an InGaP film on a semiconductor substrate using n-type impurities by using phosphine as a P source, the V / III ratio is set to 100 or less as a growth condition. By doing so, the carrier concentration distribution in the plane of the completed InGaP film has a uniformity that does not hinder practical use.
[0009]
According to the present invention, the general formula In X _Ga 1-X _P represented by a compound semiconductor layer for manufacturing by vapor phase growth using an organic metal thermal decomposition method of a compound semiconductor containing at least one layer a method, said in X _Ga 1-X _P layer during growth with use of phosphine as the source of phosphorus so as to dope the carrier, the manufacture of compound semiconductor of the V / III ratio, characterized in that 100 or less A method is proposed.
[0010]
According to the invention of claim 2, in the invention of claim 1, wherein the In X _Ga 1-X _P layer is a compound semiconductor manufacturing process to be doped to n-type is proposed.
[0011]
According to the invention of claim 3, in the invention of claim 1 or 2, wherein an In X _Ga compound semiconductor manufacturing method so as to dope the silicon as a dopant to 1-X _P layer during growth is suggested.
[0012]
According to the invention of claim 4, in the invention of claim 1, 2 or 3, and characterized in that the growth of the _In _{X Ga 1-X} P layer, trimethyl gallium, trimethyl indium, by the MOCVD method using phosphine Is proposed.
[0013]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor material manufactured by using the method of manufacturing a compound semiconductor according to the first, second, third, or fourth aspect.
[0014]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufactured using the semiconductor material of the fifth aspect.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0016]
FIG. 1 is a layer structure diagram showing an example of an embodiment of an epitaxial substrate according to the present invention. In the epitaxial substrate 10 shown in FIG. 1, in order to form an InGaP layer having desired characteristics when fabricating a semiconductor device, a supply ratio of In and Ga, a supply amount of a dopant gas, and an accurate growth rate of InGaP are checked. It is for the purpose. That is, the epitaxial substrate 10 is what is called a so-called check epi, and an epitaxial substrate as a product is manufactured based on the growth conditions obtained by using the epitaxial substrate 10. The epitaxial substrate 10 is obtained by forming an n-InGaP layer 2 and an n-GaAs layer 3 on a GaAs single crystal substrate 1 in this order. In the epitaxial substrate 10, the target film thickness, carrier concentration, and In composition of the n-InGaP layer 2 are 2000 °, 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , and 0.5, respectively. The target film thickness and carrier concentration of the n-GaAs layer 3 are 3000 ° C. and 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , respectively. The n-GaAs layer 3 is provided in order to prevent the n-InGaP layer 2 from being deteriorated, for example, to prevent the removal of P from the surface of the InGaP after the growth of the n-InGaP layer 2.
[0017]
The n-InGaP layer 2 is a single-crystal semiconductor thin-film layer which is grown on the GaAs single-crystal substrate 1 by the MOCVD method using phosphine as a phosphorus source (P source) and n as a dopant using Si as a dopant. It is formed as an InGaP layer represented by the general formula In _X Ga _1- XP doped with n-type impurities.
[0018]
Next, an embodiment of a method for producing the epitaxial substrate 10 having the layer structure shown in FIG. 1 will be described. First, a GaAs single crystal substrate 1 is prepared. The GaAs single-crystal substrate 1 is a high-resistance semi-insulating GaAs single-crystal substrate, and is manufactured by an LEC (Liquid Encapsulated Czochralski) method, a VB (Vertical Bridgeman) method, a VGF (Vertical Gradient Freezing) single crystal A method, and the like. Preferably, a substrate having an inclination of about 0 ° to 10 ° from one crystallographic plane orientation is prepared, regardless of the method of manufacture.
[0019]
After the surface of the GaAs single crystal substrate 1 prepared as described above is degreased and cleaned, etched, washed with water, and dried, the GaAs single crystal substrate 1 is placed on a heating table of a MOCVD growth furnace. After sufficiently replacing the inside of the MOCVD growth furnace with high-purity hydrogen, heating is started. When stabilized at an appropriate temperature, phosphine is introduced into the MOCVD growth furnace as a phosphorus material. Further, a gallium raw material and an iridium raw material are introduced. The n-InGaP layer 2 is grown by controlling the supply amount and time of each raw material. When the n-InGaP layer 2 is formed as an n-type InGaP layer containing an n-type impurity, Si is introduced as a dopant into a MOCVD growth furnace.
[0020]
In this manner, the n-InGaP layer 2 is grown by the MOCVD method, and the in-plane distribution of the carrier concentration in the n-InGaP layer 2 thus obtained is significantly reduced as compared with the conventional one. The V / III ratio is set to 100 or less, and the n-InGaP layer 2 is vapor-phase grown. Preferably it is 1 to 100, more preferably 15 to 90, most preferably 30 to 80. On the InGaP layer 2, a GaAs layer 3 is grown to protect the InGaP layer 2 by using AsH3 as an As source, using TMG as a Ga source, and using Si as a dopant. The carrier concentration of the GaAs layer 3 is set to a value similar to that of the InGaP layer 3.
[0021]
The optimum growth temperature is about 600 ° C., but the same effect can be obtained even if the growth temperature is different as long as the reaction state of growth is the same. However, the growth temperature is not critical, but is preferably about 550C to 600C. Further, in this type of semiconductor material, the carrier concentration in the n-InGaP layer 2 is often about 0.8 × 10 ¹⁷ cm ^{−3 to} 1.2 × 10 ¹⁷ cm ^−3, but the carrier concentration distribution is , The carrier concentration can be set to an arbitrary value.
[0022]
Finally, the supply of each material is stopped to stop the crystal growth, and after cooling, the epitaxial substrate 10 stacked as shown in FIG. 1 is taken out of the MOCVD growth furnace to complete the crystal growth. The substrate temperature during crystal growth is usually in the range of about 500 ° C to 800 ° C.
[0023]
In addition, as the carrier, for example, in addition to silicon, an n-type dopant such as a hydrogen compound such as germanium, tin, sulfur, or selenium or an alkylated compound having an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms can be used.
[0024]
When the n-InGaP layer 2 is grown as described above, as the V / III ratio decreases, the degree of decrease in the carrier concentration at the substrate edge decreases, and the in-plane uniformity of the carrier is improved. Since this change has a certain direction, the smaller the V / III ratio, the better the uniformity of the carrier concentration.
[0025]
From the results of various experiments, it is considered that the lower the V / III ratio, the better the in-plane distribution of carriers. However, in the growth of the InGaP layer, the decomposition efficiency of phosphine, which is the P material, is poor. Therefore, when the V / III ratio is extremely reduced, the supply of the P material to the substrate surface becomes insufficient, and the In and Ga metals are not sufficiently supplied. Care must be taken that the lower limit does not fall below 1 because precipitation occurs and InGaP cannot be grown due to the shortage of the P material.
[0026]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited to the embodiments described below.
[0027]
(Example 1)
The stacked structure shown in FIG. 1 was epitaxially grown on a VGF semi-insulating GaAs substrate by MOCVD using a reduced-pressure barrel type MOCVD furnace. The GaAs single crystal substrate 1 used here was 2.0 ° off. Then, the growth temperature was set to 600 ° C., and the n-InGaP layer 2 was grown by introducing silicon into the furnace so as to have a thickness of 2000 ° and a carrier concentration of 1.0 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ . By changing the V / III ratio during this growth to 158, 79, and 39, three samples were manufactured.
[0028]
For the growth of InGaP, trimethylindium and trimethylgallium, which are organometallic compounds, were used as group III raw materials. Phosphine gas was used as the group 5 raw material. The carrier was prepared by supplying Si using Si ₂ H ₆ gas and by MOCVD.
[0029]
For these three samples, the in-plane distribution of the carrier concentration of the epitaxial substrate 10 was measured. FIG. 2 shows the measured values. In FIG. 2, the abscissa indicates the distance from the center of the epitaxial substrate 10 to the edge starting from the center, and the ordinate indicates the carrier concentration normalized with the carrier concentration at the center of the epitaxial substrate 10 as 1.
[0030]
FIG. 2 shows that the smaller the V / III ratio is, the smaller the in-plane distribution of the carrier concentration of the epitaxial substrate 10 is.
[0031]
As the V / III ratio is reduced to 158, 79, and 39, the degree of decrease in the carrier concentration on the outer peripheral side of the substrate is reduced, and the in-plane uniformity of the carrier is improved. Since this change has a certain direction, it is obvious that the uniformity can be further improved by further reducing the V / III ratio. The smaller the V / III ratio, the better the uniformity of the carrier concentration.
[0032]
(Example 2)
Except that the off angle of the GaAs single crystal substrate 1 was set to 0.4 degrees, another three samples were prepared by changing the V / III ratio to 158, 79, and 39 in the same manner as in Example 1. Produced. Then, the in-plane distribution of the carrier concentration was measured for these samples. FIG. 3 shows the measured values. In FIG. 3 as well, the horizontal axis represents the distance from the center of the epitaxial substrate 10 to its edge, and the vertical axis represents the carrier concentration value normalized with the carrier concentration at the center of the epitaxial substrate 10 as 1. .
[0033]
FIG. 3 shows that even if the off-angle of the substrate is small, the smaller the V / III ratio is, the smaller the in-plane distribution of the carrier concentration of the epitaxial substrate 10 is.
[0034]
FIG. 4 shows the tolerance of the in-plane carrier concentration distribution obtained from the experimental results shown in FIGS. FIG. 4 shows that when the V / III ratio is set to 100 or less, the in-plane tolerance becomes about 3% or less. When fabricating a semiconductor device from an MOCVD substrate, an in-plane distribution of 5 to 3% or less is generally required. Therefore, when the V / III ratio is 100 or less, in-plane uniformity of carrier concentration sufficient to obtain a practical epitaxial substrate can be obtained.
[0035]
From the results shown in FIGS. 2, 3 and 4, it is apparent that the lower the V / III ratio, the better the in-plane distribution of carriers. However, in the growth of the InGaP layer, the decomposition efficiency of phosphine, which is a P raw material, is low. Therefore, if the V / III ratio is less than 30, the supply of the P raw material to the substrate surface becomes insufficient, and In, Ga, etc. There is a tendency for segregation and precipitation of metals. It should be noted that if the V / III ratio is less than 1, growth of InGaP itself may not be possible.
[0036]
(Example 3)
A heterojunction bipolar transistor (HBT) was produced as follows. First, a semi-insulating GaAs substrate was prepared, a required thin film layer was formed thereon as follows, and a compound semiconductor wafer for forming an HBT was formed. That is, a collector layer composed of an n ⁺ -GaAs layer (carrier concentration of about 10 ¹⁸ cm ⁻³ units) and an i-GaAs layer was formed on a semi-insulating GaAs substrate. A base layer was formed on the collector layer. Approximately, the base layer was composed of ap ⁺ -GaAs layer (with a carrier concentration of about 10 ¹⁹ cm ⁻³ ), and the carrier concentration and the film thickness were adjusted so that the base sheet resistance was 270 Ω / □. On the base layer, an n-InGaP layer (about 10 ¹⁷ cm ⁻³ carrier concentration), an n-GaAs layer (about 10 ¹⁷ cm ⁻³ carrier concentration), and an n ⁺ -GaAs layer (about 10 ¹⁷ cm ⁻³ carrier concentration) ^An emitter layer of about ¹⁸ cm ⁻³ was formed. Here, the n-InGaP layer forming the emitter layer was formed under the conditions of Example 1 with a V / III ratio of 39.
[0037]
An HBT was manufactured using the compound semiconductor wafer obtained as described above, and its characteristics were measured. As a result, a good result was obtained with a base sheet resistance of 270 Ω / □ and a current amplification factor β of 116. . As described above, by applying the present invention to an HBT thin film, not only the in-plane uniformity can be improved, but also a high-performance HBT having excellent electric characteristics can be realized.
[0038]
【The invention's effect】
According to the present invention, as described above, an InGaP thin film having a significantly small in-plane distribution of carrier concentration can be grown, and a high-performance semiconductor element can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a layer structure diagram illustrating an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a measurement result of an in-plane distribution of a carrier concentration according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a measurement result of an in-plane distribution of a carrier concentration according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the in-plane tolerance of the carrier concentration in the example of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 GaAs single crystal substrate 2 n-InGaP layer 10 Epitaxial substrate

Claims

一般式Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＰで表される化合物半導体層を少なくとも１層含む化合物半導体を有機金属熱分解法を用いて気相成長させて製造するための方法であって、該Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＰ層の成長時にリン供給源としてホスフィンを用いると共にキャリアをドープするようにし、Ｖ／ＩＩＩ比を１００以下とすることを特徴とする化合物半導体の製造方法。A general formula an In X _Ga process for the preparation by vapor phase growth using 1-X _P metal organic decomposition method of a compound semiconductor containing at least one layer of a compound semiconductor layer represented by, said an In _X Ga _A method for producing a compound semiconductor, wherein phosphine is used as a phosphorus supply source and a carrier is doped at the time of growing a _1- XP layer, and the V / III ratio is 100 or less.

前記Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＰ層がｎ型にドープされる請求項１記載の化合物半導体の製造方法。The _In _{X Ga 1-X} P layer is a compound semiconductor manufacturing method according to claim 1, wherein the n-doped.

前記Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＰ層の成長時にドーパントとしてシリコンをドープするようにした請求項１又は２記載の化合物半導体の製造方法。The In X _Ga 1-X _P layer according to claim 1 or 2 method of producing a compound semiconductor according to as doped silicon as a dopant during the growth of the.

前記Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＰ層の成長を、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、ホスフィンを用いＭＯＣＶＤ法によって行うことを特徴とする請求項１、２又は３記載の化合物半導体の製造方法。The _In the growth of _{X Ga 1-X} P layer, trimethyl gallium, trimethyl indium, claim 2 or 3 method of producing a compound semiconductor according and performing by the MOCVD method using phosphine.

請求項１、２、３又は４の化合物半導体の製造方法を用いて作製した半導体材料。A semiconductor material produced by using the method for producing a compound semiconductor according to claim 1, 2, 3, or 4.

請求項５の半導体材料を用いて作成した半導体素子。A semiconductor device manufactured using the semiconductor material according to claim 5.